NIKEN: LỊCH SỬ, ĐẶC TÍNH, CẤU TRÚC, SỬ DỤNG, RỦI RO - HÓA HỌC - 2026

Các niken là một kim loại chuyển tiếp ký hiệu hóa học trắng là Ni. Độ cứng của nó lớn hơn sắt, ngoài ra còn là chất dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, và nhìn chung, nó được coi là kim loại không phản ứng mạnh và có khả năng chống ăn mòn cao. Ở trạng thái tinh khiết, nó có màu bạc với sắc vàng.

Năm 1751, Axel Fredrik Cronsted, một nhà hóa học người Thụy Điển, đã tìm cách cô lập nó từ một khoáng chất được gọi là Kupfernickel (đồng của quỷ), được chiết xuất từ ​​mỏ coban ở một ngôi làng Thụy Điển. Lúc đầu, Cronsted nghĩ rằng khoáng chất này là đồng, nhưng nguyên tố cô lập hóa ra có màu trắng, khác hẳn với đồng.

Những quả cầu niken trong đó có tông màu vàng của nó chiếu qua. Nguồn: René Rausch

Cronsted đặt tên cho nguyên tố là niken và sau đó người ta xác định rằng khoáng chất được gọi là kupfernickel là nicolit (niken arsenide).

Niken được chiết xuất chủ yếu từ hai mỏ: đá mácma và các phân tách khác của magma trên trái đất. Các khoáng chất có bản chất là lưu huỳnh, như pentladit. Nguồn thứ hai của niken là đá ong, với các khoáng chất giàu niken như garnierit.

Ứng dụng chính của niken là trong việc tạo hợp kim với nhiều kim loại; Ví dụ, nó tham gia vào sản xuất thép không gỉ, một hoạt động công nghiệp tiêu thụ khoảng 70% sản lượng niken trên thế giới.

Ngoài ra, niken được sử dụng trong các hợp kim như alnico, một hợp kim có bản chất từ ​​tính được dùng để sản xuất động cơ điện, loa và micrô.

Niken bắt đầu được sử dụng trong việc sản xuất tiền xu vào giữa thế kỷ 19. Tuy nhiên, việc sử dụng nó hiện đã được thay thế bằng các kim loại rẻ tiền hơn; mặc dù nó vẫn tiếp tục được sử dụng ở một số quốc gia.

Niken là một nguyên tố cần thiết cho thực vật, vì nó kích hoạt enzyme urease, có liên quan đến sự phân hủy urê thành amoniac, được thực vật sử dụng làm nguồn nitơ. Hơn nữa, urê là một hợp chất độc hại gây hại nghiêm trọng cho cây trồng.

Niken là nguyên tố có độc tính lớn đối với con người, có bằng chứng là chất gây ung thư. Ngoài ra, niken gây ra viêm da tiếp xúc và sự phát triển của dị ứng.

Lịch sử

cổ xưa

Con người đã biết từ thời cổ đại về sự tồn tại của niken. Ví dụ, tỷ lệ niken 2% được tìm thấy trong các đồ vật bằng đồng (năm 3500 trước Công nguyên), hiện diện trên các vùng đất hiện thuộc Syria.

Tương tự như vậy, các bản viết tay của Trung Quốc cho rằng "đồng trắng", được gọi là baitong, đã được sử dụng từ năm 1700 đến 1400 trước Công nguyên. Khoáng chất này đã được xuất khẩu sang Anh vào thế kỷ 17; nhưng hàm lượng niken của hợp kim này (Cu-Ni) mãi đến năm 1822 mới được phát hiện.

Ở Đức thời trung cổ, một loại khoáng chất màu đỏ được tìm thấy, tương tự như đồng, và có các đốm màu xanh lục. Các thợ mỏ đã cố gắng tách đồng ra khỏi quặng, nhưng họ đã thất bại. Ngoài ra, tiếp xúc với khoáng sản sinh ra các vấn đề sức khỏe.

Vì những lý do này, các thợ mỏ đã gán khoáng chất này là một tình trạng ác tính và gán cho nó những cái tên khác nhau minh họa cho tình trạng này; như "Old Nick", cũng là kupfernickel (đồng của quỷ). Bây giờ người ta biết rằng khoáng chất được đề cập là nicolite: niken arsenide, NiAs.

Khám phá và sản xuất

Năm 1751, Axel Fredrik Cronsted cố gắng cô lập đồng từ kupfernickel, thu được từ một mỏ coban nằm gần Los Halsinglandt, một ngôi làng của Thụy Điển. Nhưng ông chỉ kiếm được một kim loại trắng, cho đến nay vẫn chưa được biết đến và được gọi là niken.

Bắt đầu từ năm 1824, niken được sản xuất như một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất màu xanh coban. Năm 1848, một nhà máy luyện kim được thành lập ở Na Uy để xử lý niken có trong khoáng vật pyrotin.

Năm 1889, niken được đưa vào sản xuất thép và các mỏ được phát hiện ở New Caledonia đã cung cấp niken cho nhu cầu tiêu dùng của thế giới.

Tính chất

Xuất hiện

Màu trắng bạc, bóng và có một chút vàng nhẹ.

Trọng lượng nguyên tử

58,9344 u

Số nguyên tử (Z)

28

Độ nóng chảy

1.455 ºC

Điểm sôi

2,730 ºC

Tỉ trọng

-Ở nhiệt độ phòng: 8,908 g / mL

-Ở điểm nóng chảy (chất lỏng): 7,81 g / mL

Nhiệt của nhiệt hạch

17,48 kJ / mol

Nhiệt hóa hơi

379 kJ / mol

Công suất nhiệt lượng mol

26,07 J / mol

Độ âm điện

1,91 trên thang điểm Pauling

Năng lượng ion hóa

Mức độ ion hóa đầu tiên: 737,1 kJ / mol

Mức ion hóa thứ hai: 1.753 kJ / mol

Mức độ ion hóa thứ ba: 3,395 kJ / mol

Đài nguyên tử

124 giờ chiều theo kinh nghiệm

Bán kính cộng hóa trị

124,4 ± 4 giờ chiều

Dẫn nhiệt

90,9 W / (m K)

Điện trở suất

69,3 nΩ m ở 20 ºC

Độ cứng

4.0 trên thang Mohs.

nét đặc trưng

Niken là kim loại dẻo, dễ uốn và có độ cứng lớn hơn sắt, là chất dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Nó là một kim loại sắt từ ở nhiệt độ bình thường, nhiệt độ Curie của nó là 358ºC. Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ này, niken không còn là chất sắt từ.

Niken là một trong bốn nguyên tố sắt từ, ba nguyên tố còn lại là: sắt, coban và gadolini.

Đồng vị

Có 31 đồng vị của niken, giới hạn bởi ⁴⁸ Ni và ⁷⁸ Ni.

Có 5 đồng vị tự nhiên: ⁵⁸ Ni, với hàm lượng 68,27%; ⁶⁰ Ni, với hàm lượng 26,10%; ⁶¹ Ni, với hàm lượng 1,13%; ⁶² Ni, với hàm lượng dồi dào là 3,59%; và ⁶⁴ Ni, với hàm lượng dồi dào là 0,9%.

Trọng lượng nguyên tử khoảng 59 u đối với niken cho thấy rằng không có sự chiếm ưu thế rõ rệt trong bất kỳ đồng vị nào (mặc dù ⁵⁸ Ni là nhiều nhất).

Cấu trúc và cấu hình điện tử

Kim loại niken kết tinh thành cấu trúc lập phương tâm diện (fcc). Giai đoạn fcc này cực kỳ ổn định, và không thay đổi ở áp suất gần 70 GPa; Có rất ít thông tin thư mục liên quan đến các pha hoặc dạng đa hình của niken dưới áp suất cao.

Hình thái của tinh thể niken có thể thay đổi, vì chúng có thể được sắp xếp theo cách mà chúng xác định một ống nano. Là một hạt nano hoặc chất rắn vĩ mô, liên kết kim loại vẫn giữ nguyên (trên lý thuyết); nghĩa là, chính các electron hóa trị giống nhau sẽ giữ các nguyên tử Ni lại với nhau.

Theo hai cấu hình điện tử có thể có cho niken:

3d ⁸ 4s ²

3 chiều ⁹ 4 giây ¹

Mười electron tham gia vào liên kết kim loại; tám hoặc chín trong quỹ đạo 3d, cùng với hai hoặc một trong quỹ đạo 4s. Lưu ý rằng vùng hóa trị thực tế là đầy, gần với việc vận chuyển các điện tử của nó đến vùng dẫn; một thực tế giải thích độ dẫn điện tương đối cao của nó.

Cấu trúc fcc của niken ổn định đến mức nó thậm chí còn được sử dụng bằng thép khi thêm vào nó. Vì vậy, sắt không gỉ có hàm lượng niken cao cũng là fcc.

Số oxi hóa

Nickel, mặc dù nó có vẻ không giống như vậy, nhưng cũng có số lượng hoặc trạng thái oxy hóa dồi dào. Các phủ định là hiển nhiên khi biết rằng nó chỉ thiếu hai điện tử để hoàn thành mười quỹ đạo 3d của nó; do đó, nó có thể thu được một hoặc hai electron, có số oxi hóa -1 (Ni ^- ) hoặc -2 (Ni ^2- ), tương ứng.

Số oxi hóa bền nhất đối với niken là +2, giả sử có sự tồn tại của cation Ni ²⁺ , chất này đã làm mất đi các electron của orbital 4s và có 8 electron trong orbital 3d (3d ⁸ ).

Ngoài ra, còn có hai số oxi hóa dương khác: +3 (Ni ³⁺ ) và +4 (Ni ⁴⁺ ). Ở cấp học hoặc trung học, niken chỉ được dạy để tồn tại dưới dạng Ni (II) hoặc Ni (III), đó là vì chúng là số oxi hóa phổ biến nhất được tìm thấy trong các hợp chất rất bền.

Và khi niken kim loại là một phần của hợp chất, nghĩa là với nguyên tử Ni trung tính của nó, thì nó được cho là tham gia hoặc liên kết với số oxi hóa 0 (Ni ⁰ ).

Niken được tìm thấy ở đâu?

Khoáng sản và biển

Niken chiếm 0,007% vỏ trái đất nên độ phong phú của nó thấp. Tuy nhiên, nó vẫn là kim loại phong phú thứ hai sau sắt trong lõi nóng chảy của trái đất, được gọi là Nife. Nước biển có nồng độ niken trung bình là 5,6 · 10 ^-4 mg / L.

Nó thường được tìm thấy trong đá mácma, pentlandit, một khoáng chất được hình thành từ sắt và niken sunfua, là một trong những nguồn chính của niken:

Đá bao gồm các khoáng chất pentlandit và pyrotin. Nguồn: John Sobolewski (JSS)

Khoáng chất pentlandit có ở Sudbury, Ontario, Canada; một trong những mỏ chính của kim loại này trên thế giới.

Pentlandit có nồng độ niken từ 3 đến 5%, liên kết với pyrotin, một sulfua sắt giàu niken. Những khoáng chất này được tìm thấy trong đá, sản phẩm của sự phân tách magma trên trái đất.

Đá quý

Nguồn niken quan trọng khác là đá ong, được tạo thành từ đất khô cằn ở các vùng nóng. Chúng nghèo silica và sở hữu một số khoáng chất, bao gồm: garnierite, một magie niken silicat; và limonite, một loại quặng sắt

Nó được sử dụng trong hợp kim với sắt chủ yếu để sản xuất thép không gỉ, vì 68% sản lượng niken được sử dụng cho mục đích này.

Nó cũng tạo thành một hợp kim với đồng, có khả năng chống ăn mòn. Hợp kim này được tạo thành từ 60% niken, 30% đồng và một lượng nhỏ các kim loại khác, đặc biệt là sắt.

Niken được sử dụng trong hợp kim điện trở, từ tính và cho các mục đích khác, chẳng hạn như bạc niken; và hợp kim bao gồm niken và đồng, nhưng không chứa bạc. Ống Ni-Cu được sử dụng trong các nhà máy khử muối, che chắn và sản xuất tiền xu.

Niken cung cấp độ dẻo dai và độ bền kéo cho các hợp kim xây dựng khả năng chống ăn mòn. Ngoài hợp kim với đồng, sắt và crom, nó được sử dụng trong hợp kim với đồng, nhôm, chì, coban, bạc và vàng.

Hợp kim Monel được tạo thành từ 17% niken, 30% đồng và với dấu vết của sắt, mangan và silic. Nó có khả năng chống nước biển, lý tưởng cho việc sử dụng trên chân vịt tàu thủy.

Hành động bảo vệ

Niken phản ứng với flo tạo thành một lớp bảo vệ cho nguyên tố flo, cho phép niken kim loại hoặc hợp kim Monel được sử dụng trong các đường dẫn khí flo.

Niken có khả năng chống lại tác dụng của kiềm. Vì lý do này, nó được sử dụng trong các thùng chứa natri hydroxit đậm đặc. Nó cũng được sử dụng trong mạ điện để tạo bề mặt bảo vệ cho các kim loại khác.

Sử dụng khác

Niken được sử dụng làm chất khử cho sáu kim loại từ nhóm khoáng chất bạch kim mà nó được kết hợp; chủ yếu là bạch kim và palladium. Bọt hoặc lưới niken được sử dụng trong sản xuất điện cực cho pin nhiên liệu kiềm.

Niken được sử dụng làm chất xúc tác cho quá trình hydro hóa axit béo thực vật không bão hòa, được sử dụng trong quá trình sản xuất bơ thực vật. Đồng và hợp kim Cu-Ni có tác dụng kháng khuẩn đối với E. coli.

Hạt nano

Các hạt nano niken (NPs-Ni) được sử dụng rộng rãi do diện tích bề mặt lớn hơn so với mẫu vĩ mô. Khi các NP-Ni này được tổng hợp từ chiết xuất thực vật, chúng sẽ phát triển các hoạt động kháng khuẩn và kháng khuẩn.

Lý do được đề cập ở trên là do nó có xu hướng oxy hóa lớn hơn khi tiếp xúc với nước, tạo thành các cation Ni ²⁺ và các loại oxy hoạt tính cao, làm biến tính tế bào vi sinh vật.

Mặt khác, NPs-Ni được sử dụng làm vật liệu điện cực trong pin nhiên liệu rắn, sợi, nam châm, chất lỏng từ tính, các bộ phận điện tử, cảm biến khí, v.v. Tương tự như vậy, chúng là chất hỗ trợ xúc tác, chất hấp phụ, chất tẩy trắng và máy lọc nước thải.

-Composites

Niken clorua, nitrat và sunfat được sử dụng trong bể niken trong mạ điện. Hơn nữa, muối sunfat của nó được sử dụng trong việc điều chế chất xúc tác và chất kết dính để nhuộm hàng dệt.

Nickel peroxide được sử dụng trong pin lưu trữ. Ferit niken được sử dụng làm lõi từ tính trong ăng-ten trong các thiết bị điện khác nhau.

Nickel tertracarbonyl cung cấp carbon monoxide để tổng hợp acrylat, từ axetylen và rượu. Oxit kết hợp của bari và niken (BaNiO ₃ ) dùng làm nguyên liệu để sản xuất cực âm trong nhiều loại pin có thể sạc lại, chẳng hạn như Ni-Cd, Ni-Fe và Ni-H.

Vai trò sinh học

Thực vật cần sự hiện diện của niken để phát triển. Nó được biết đến như một chất đồng yếu tố của các enzym thực vật khác nhau, bao gồm cả urease; Enzyme chuyển urê thành amoniac, có thể sử dụng hợp chất này trong hoạt động của thực vật.

Ngoài ra, sự tích tụ urê tạo ra sự thay đổi trong lá của cây. Niken hoạt động như một chất xúc tác để thúc đẩy quá trình cố định nitơ của cây họ đậu.

Các loại cây trồng nhạy cảm nhất với sự thiếu hụt niken là các loại đậu (đậu và cỏ linh lăng), lúa mạch, lúa mì, mận và đào. Sự thiếu hụt của nó được biểu hiện ở thực vật bằng chứng úa lá, rụng lá và thiếu hụt tăng trưởng.

Ở một số vi khuẩn, enzyme urease phụ thuộc vào niken, nhưng người ta cho rằng chúng có thể gây độc cho các sinh vật mà chúng sinh sống.

Các enzym khác của vi khuẩn, chẳng hạn như superoxide dismutase, cũng như glyxidase có trong vi khuẩn và một số ký sinh trùng, ví dụ trong trypanosomes, phụ thuộc vào niken. Tuy nhiên, các enzym tương tự ở các loài bậc cao không phụ thuộc vào niken mà phụ thuộc vào kẽm.

Rủi ro

Việc tiêu thụ một lượng lớn niken có liên quan đến việc hình thành và phát triển các bệnh ung thư phổi, mũi, thanh quản và tuyến tiền liệt. Ngoài ra, nó còn gây ra các vấn đề về hô hấp, suy hô hấp, hen suyễn và viêm phế quản. Khói niken có thể gây kích ứng phổi.

Niken tiếp xúc với da có thể gây mẫn cảm, sau đó tạo ra dị ứng, biểu hiện là phát ban trên da.

Da tiếp xúc với niken có thể gây ra chứng viêm da được gọi là "ngứa niken" ở những người nhạy cảm trước đây. Khi nhạy cảm với niken, nó tồn tại vô thời hạn.

Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) đã xếp các hợp chất niken vào Nhóm 1 (có đầy đủ bằng chứng về khả năng gây ung thư ở người). Tuy nhiên, OSHA không quy định niken là chất gây ung thư.

Khuyến cáo rằng việc tiếp xúc với niken kim loại và các hợp chất của nó không được vượt quá 1 mg / m ³ trong tám giờ làm việc trong một tuần làm việc bốn mươi giờ. Niken cacbonyl và niken sunfua là những hợp chất có độc tính cao hoặc gây ung thư.

Người giới thiệu

1. Muhammad Imran Din và Aneela Rani. (2016). Những tiến bộ gần đây trong việc tổng hợp và ổn định các hạt nano niken và ôxít niken: A Green Adeptness. Tạp chí Quốc tế Hóa học Phân tích, tập. 2016, ID bài viết 3512145, 14 trang, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Các hạt Nano dựa trên niken làm chất hấp phụ trong các phương pháp làm sạch nước - Đánh giá. Phương Đông J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Niken. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
4. Viện Niken. (2018). Thép không gỉ: Vai trò của niken. Được khôi phục từ: nickelinscrum.org
5. Các biên tập viên của Encyclopaedia Britannica. (Ngày 20 tháng 3 năm 2019). Niken. Encyclopædia Britannica. Phục hồi từ: britannica.com
6. Troy Buechel. (Ngày 05 tháng 10 năm 2018). Vai trò của niken trong trồng trọt thực vật. Promix. Phục hồi từ: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Bảng tuần hoàn: Niken. Khôi phục từ: lenntech.com
8. Bell Terence. (Ngày 28 tháng 7 năm 2019). Hồ sơ kim loại niken. Được khôi phục từ: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 22 tháng 6 năm 2018). 10 Sự kiện về Nguyên tố Niken. Phục hồi từ: thinkco.com
10. Dinni Nurhayani và Akhmad A. Korda. (2015). Ảnh hưởng của việc bổ sung niken đối với các tính chất kháng khuẩn, vật lý và cơ học của hợp kim đồng-niken chống lại huyền phù của Escherichia coli. Kỷ yếu Hội nghị AIP 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727